Химия педосферы. Процессы формирования химического состава газообразной, жидкой и твердой фаз почвы. Основные геосферные функции почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Химия педосферы. Процессы формирования химического состава газообразной, жидкой и твердой фаз почвы. Основные геосферные функции почвы

Введение

Почва - уникальная природная система. Главным свойством почвы является неразрывная связь входящих в нее живых и неживых (косных) компонентов. Их искусственное разделение делает невозможным существование почвы и полностью разрушает ее как систему. В.И. Вернадский удачно назвал почву «биокосным телом».

Состав почвы весьма сложен. В ней имеется не только твердая фаза, но также жидкая (почвенный раствор) и газовая (почвенный воздух). Твердая фаза представляет собой полидисперсную систему, в которой присутствуют относительно крупные обломки размером более 0,01 мм и высокодисперсные частицы размером менее 1 мкм. Компоненты разной крупности различаются механическими и физико-химическими свойствами. Минеральная часть очень разнородна и помимо обломков минералов исходных горных пород представлена также различными почвенно-гипергенными новообразованиями. Почва состоит не только из минеральных, но и из органических соединений. Главное своеобразие почвы в том, что среди ее разнородных компонентов есть живые организмы.

Почва образуется и функционирует как система при сочетании взаимообусловленной жизнедеятельности разных групп организмов. Среди них организмы, осуществляющие фотосинтетическое продуцирование органического вещества (высшие растения); организмы, обеспечивающие деструкцию ежегодно отмирающих органов растений (почвенная мезофауна и животные); организмы, производящие глубокую трансформацию продуктов деструкции, вплоть до их полной минерализации с выделением СО₂ и образованием специфических органических соединений почвы (микроорганизмы).

Обеспечение фотосинтезирующих организмов элементами почвенного питания связано с двумя важнейшими компонентами почвы. Первым из них является мертвое органическое вещество, из которого в результате жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов постепенно выделяются элементы, аккумулированные фотосинтетиками и необходимые для их воспроизводства. Благодаря взаимодействию фотосинтетиков и гетеротрофных организмов происходит циклическая миграция элементов в системе растительность - органическая часть почвы. Второй компонент почвы, являющийся источником доступных форм химических элементов Для высших растений, - дисперсные минеральные частицы, которые благодаря огромной поверхности в единице объема содержат значительное количество сорбированных химических элементов.

Эти элементы не могут вымываться фильтрующимися через почву атмосферными осадками, но легко поглощаются корнями растений. Высокодисперсное минеральное вещество играет ответственную роль в механизме биологического круговорота элементов.

Весьма важное значение имеет микроморфология почв. Агрегированность почвенных частиц способствует сохранению и регулированию поступления воды и элементов питания в высшие растения. Система межагрегатных пустот и пор способствует свободному газообмену между почвой и приземным слоем тропосферы, выделению газообразных продуктов почвообразования, в первую очередь СО₂.

Образование педосферы и освоение Мировой суши живым веществом повлекло за собой изменение его количества и структуры, а также всей динамики глобальных биогеохимических процессов. Биокосная система почвы сложилась как оптимальный природный механизм обеспечения жизнедеятельности фотосинтезирующих растений, создающих основу функционирования биоценозов - первичное органическое вещество. В дальнейшем благодаря разнообразным взаимосвязанным биогеохимическим процессам в почве стало осуществляться взаимодействие всех факторов и компонентов, образующих конкретную биогеосистему (ландшафт). Это взаимодействие происходит путем непрерывной циклической миграции масс химических элементов.

Распространившись на всю поверхность Мировой суши, педосфера приобрела значение главного звена и регулятора глобальных циклических процессов массообмена химических элементов. Педосфера в равной мере связана массообменном элементов с земной корой, живым веществом и атмосферой. В педосфере происходит мобилизация химических элементов, вовлекаемых в водную миграцию и затем выносимых в океан. С поверхности педосферы захватываются мелкие почвенные частицы, формирующие континентальные аэрозоли, частично выносимые за пределы суши. В то же время на поверхность педосферы поступают атмосферные осадки, переносящие химические элементы, в том числе выделенные с поверхности океана. И главное - в педосфере начинается и заканчивается грандиозный кругооборот химических элементов: педосфера - растительность Мировой суши. Все перечисленные процессы являются в основе биогеохимическими. Современные данные позволяют рассматривать педосферу как планетарный механизм, который благодаря сложной системе взаимообусловленных процессов регулирует биосферные циклы массообмена химических элементов

Педосфера образовалась в результате многовекового воздействия атмосферной влаги, солнечного тепла, растительного и животного мира на поверхностные слои горных пород земной суши. Вследствие разнообразия природных условий в разных зонах и регионах мира очень разнообразны и почвы, составляющих его почвенный покров (педосферы).

В педосфере насчитывают сотни основных типов и много видов и разновидностей почв, различающихся по строению, физическим и химическим свойствам, гидротермического режима, состава и жизнедеятельности почвенной биоты (живущие в почве живые существа, включая микроорганизмы). Распространения различных типов и видов почв на земной поверхности и пространственная структура (строение) почвенного покрова имеют вполне закономерный зонально-географический характер и обусловлены совокупным взаимодействием биоклиматических и литолого-геоморфологических факторов почвообразования. Закономерности географического распространения почв и структуру почвенного покрова изучает специальная научная дисциплина - география почв. Общую картину структуры педосферы в наиболее наглядном и систематизированном виде отражают мировые почвенные карты и карты почвенно-географического районирования.

Почвенные карты служат целям развития науки и человеческого общества, обеспечивая базис для описания и систематизации почв (как природных тел) в биосфере и качественной и количественной оценки важнейших свойств почвы для рационального управления этим важным природным ресурсом. Почвенные карты содержат информацию, которая может быть полезна не только для ученых-почвоведов, но и для региональных управленцев, ландшафтных архитекторов, специалистов по охране окружающей среды, санитарным врачам, работникам сельского хозяйства, лесоводам и другим.

1. Химия педосферы

Химический состав педосферы весьма неоднороден. Относительное содержание большей части химических элементов в почвах разных районов может различаться в сотни и тысячи раз. Эта закономерность, обнаруженная Р. Митчеллом (1955) на первых этапах изучения рассеянных элементов в почвах, имеет фундаментальное значение для биогеохимии педосферы. Наименьшие вариации свойственны лишь некоторым макроэлементам, например кремнию и алюминию, относительное содержание которых в педосфере меняется в п раз.

В связи со столь сильной вариабельностью концентраций большое значение приобретает статистическая обработка аналитических данных. Имеющийся опыт показал, что нормальное и логнормальное распределение аналитических данных часто нарушается некоторым количеством проб с относительно высокой концентрацией. Это вызывает завышение среднего арифметического; среднее геометрическое значительно ниже. Объективное представление об уровне концентрации элемента в почве конкретной территории дают модальные (наиболее часто встречающиеся) значения и их среднеквадратические отклонения.

Среди многих факторов, влияющих на значения модальных концентраций рассеянных элементов в почве, главным является содержание высокодисперсных минералов (фракция частиц < 0,001 мм) органического вещества. С увеличением содержания глинистых минералов и органического вещества возрастает концентрация тяжелых металлов. На уровни модальных концентраций рассеянных элементов также влияют провинциальные геохимические особенности покровных отложений, на которых сформирована почва, и минералого-петрографическое разнообразие коренных пород, служащих источником обломочных минералов, слагающих покровные отложения. Важным фактором является гидрологический режим и интенсивность промывания профиля почвы.

Концентрация элементов меняется по профилю почв, причем неодинаково в разных типах почв. Поэтому при характеристике концентрации элементов в почвенном покрове конкретной территории имеется в виду их концентрация в верхнем гумусовом горизонте. Так как основная часть суши покрыта автоморфными (так называемыми зональными) типами почв, сведения о средней концентрации элементов в почвенном покрове крупных регионов или всей суши базируются на данных, относящихся к автоморфным почвам.

Органическое вещество.

Органическое вещество является одним из наиболее важных компонентов педосферы. Огромная масса органического вещества преимущественно растительного происхождения ежегодно поступает в педосферу. В зависимости от биоклиматических условий в разных районах Мировой суши (за исключением территории, покрытой ледниками, и абсолютных пустынь) поступление мертвого органического вещества колеблется от 100 до 2500 т/км2 в год. Суммарная масса ежегодно отмирающего органического вещества (с учетом сокращения природной растительности человеком) близка к (125-130) Ч109 т.

Разное количество поступающих растительных остатков, неодинаковая направленность и интенсивность микробиологической деятельности, разнообразные гидротермические условия способствуют образованию весьма сложного комплекса органических соединений гумуса почв. Состав почвенного гумуса динамичен: он непрерывно обновляется в результате разложения и синтеза его компонентов.

В органическом веществе почвы различают три главные группы:

Первую группу составляют почти не разложившиеся или слаборазложившиеся остатки преимущественно растительного происхождения. Они образуют лесные подстилки, степной войлок. Это так называемый грубый гумус. В нем под микроскопом хорошо видны все детали растительной ткани - конфигурация клеток, толщина их оболочек и др. Наименее стойкие ткани (камбий, флоэма, паренхима первичной коры) разрушены.

Ко второй группе относятся остатки, образующие рыхлое черное вещество. Только под микроскопом видно, что это вещество состоит из измельченных и сильно измененных растительных остатков: мелких обрывков растительных тканей, лишь отчасти сохранивших реликты клеточного строения и обильно пропитанных новообразованными органическими соединениями. Такая форма почвенного органического вещества называется модер.

Третья группа состоит из специфических почвенных органических образований, не обнаруживающих следов строения растительных тканей и составляющих собственно гумус. Это аморфные скопления от хорошо прозрачных светло-желтых до плохо прозрачных темно-бурых. В одних почвах гумусовые вещества диффузно распределены в почвенном матриксе, в других - склеивают мелкие минеральные частицы, образуя гумус типа муллъ.

Перечисленные формы почвенного органического вещества образуются в условиях хорошей аэрации. При длительном водонасыщении почвы деятельность мезофауны и аэробных микроорганизмов подавляется и преобразование растительных остатков замедляется. В таких условиях из осадков гидрофильных растений, главным образом мхов, образуется торф. Его характерные черты: слабая разложенность растительных осадков (менее 30%) и волокнистое строение благодаря преобладанию мхов среди растений-торфообразователей. Органическое вещество почвы, состоящее из торфяных компонентов, называется гумусом типа мор. Между рассмотренными формами почвенного органического вещества существуют постепенные переходы.

Таким образом, органическое вещество почвы состоит из слабоизмененных остатков растений, продуктов их измельчения и первоначального преобразования мезофауной и микроорганизмами, а также из специфических почвенных органических веществ. Две последние категории составляют собственно почвенный гумус.

Трансформация органического вещества в почве происходит под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов. Разные микроорганизмы и свойственные им ферменты взаимодействуют с определенными компонентами растительных остатков. Неспороносные бактерии используют наиболее доступные компоненты: простые углеводы, аминокислоты, простые белки. Целлюлозные миксобактерии перерабатывают устойчивые углеводы. Актиномицеты завершают процесс, разлагая наиболее устойчивые компоненты растительных остатков и гумусовые вещества.

Образование гумусовых веществ протекает при участии процессов двух типов. Процессы первого типа обеспечивают частичное разложение поступивших органических соединений до более простых. Например, белки расщепляются на аминокислоты, углеводы - на простые сахара и т.д.

Процессы второго типа значительно сложнее. Это связано с тем, что гидролиз органических полимеров прерывается, если фермент встречается с неоднородностью в строении полимера.

Примером может служить случай, когда фермент, специализированный на преобразовании целлюлозы, встречается с лигнифицированной частью полимера. Остатки труднопреобразуемых веществ накапливаются и служат исходным материалом для специфических химических реакций конденсации. Эти реакции, отсутствующие среди биологических реакций полимеризации, приводят к образованию весьма устойчивых соединений.

В результате процессов второго типа происходит конденсация ароматических соединений фенолъного типа (продуктов распада лигнина и целлюлозы) с аминокислотами (продуктами распада микроорганизмов). В процессе окисления и конденсации образуются карбоксильные группы, которые вместе с фенолгидроксильными группами способствуют кислотному характеру гумусовых веществ.

Основными компонентами гумуса являются гуминовые и фульвокислоты, их соли, а также гумин - своеобразный комплекс сильно полимеризованных высокомолекулярных гумусовых кислот, связанных с высокодисперсными минеральными частицами. Между этими компонентами существуют переходы. Гумусовые кислоты - высокомолекулярные соединения со сложной структурой. Согласно Д.С. Орлову (1974), структурная ячейка гуминовых кислот из дерново-подзолистой почвы имеет вид C173H183O86N11, из чернозема - C73H61O32N4; структурная ячейка фульвокислот из дерново-подзолистой почвы - C270H318O206N16, из чернозема - C260H280O177N15. В составе гуминовых кислот содержание углерода колеблется от 40 до 60%, азота - от 3,5 до 6%. Фульвокислоты содержат меньше углерода и азота: соответственно от 35 до 50% и от 3 до 4,5%.

2. Процессы формирования химического состава газообразной, жидкой и твердой фаз почвы

Образование и развитие почвы. Почва представляет собой сложное образование. Толщина почвенного слоя в умеренных широтах на равнинах не превышает 1,5-2,5 м. В горных районах мощность ее измеряется долями метра.

В составе почвы можно выделить три фазы: твердую, жидкую и газообразную. Эти фазы глубоко проникают одна в другую и находятся в постоянном взаимодействии. В состав твердой фазы входят минеральные и органические вещества. Их растворимые формы образуют почвенный раствор. В последний переходит также часть газообразных веществ, входящих в состав почвенного воздуха.

Развитие почвы неразрывно связано с материнской (почвообразующей) породой. Ею может являться любая находящаяся на поверхности горная порода (гранит, известняк, песок и др.) - Процесс превращения горной породы в почву очень длителен.

Скальные породы заселяются микроорганизмами (бактерии, плесневые грибки, актиномицеты) задолго до того как они превращаются в обломочные массы. Эти микроорганизмы обладают способностью синтезировать углекислоту и азот атмосферы. Выделяемые ими кислотные вещества способствуют разложению минералов горной породы. Этой стадии соответствует первичный (примитивный) процесс почвообразования.

Следующая стадия почвообразования начинается после поселения лишайников и мхов. На горную породу они воздействуют корневой системой чисто механическим путем, расщепляя минеральные зерна. В трещинах пород происходит накопление мелкозема, представляющего смесь мелких обломков породы и продуктов синтеза органоминеральных соединений, выделяемых бактериями, лишайниками и мхами.

Образование рыхлой минеральной почвенной массы связано также с процессами химического и физического выветривания (гипергенеза), которые интенсивно проявляются на поверхности земли и тесно переплетаются с биологическими процессами. Соотношение почвы и коры выветривания показано на рис. 50.

На дальнейшей стадии развития почвы при воздействии высших растений происходит накопление органических веществ и последующее их разрушение. В верхнем слое почвы накапливаются зольные элементы, образуется специфическое органическое вещество - почвенный перегной (гумус), который определяет плодородие почвы.

Химические свойства почвы. Для элементарного химического состава почвы характерно преобладание таких элементов, как О₂ (55%); Si (20%); Аl (7%); Н (5%); С (5%). Содержание Са, Fe, К, Na, Mg не превышает в сумме 1-5%. Химические соединения представлены в почве преимущественно минеральными кислотами и их солями, а также органическими соединениями.

Химические свойства почвы во многом определяются минеральными особенностями почвообразующих пород. В процессе химического выветривания происходят значительные изменения элементарного и минерального состава горных пород. Минералогический состав почвы представлен первичными и вторичными минералами.

Первичными минералами называют такие, которые перешли неизменными из горных пород в почву (преимущественно магматические и метаморфические). В химическом отношении это окислы (кварц, гематит и др.), силикаты (роговая обманка, авгит), алюмосиликаты (ортоклаз, слюды), сульфиды, фосфаты и др.

Первичные минералы в процессе выветривания подвергаются дальнейшему преобразованию. Главными здесь являются не только физические факторы (периодичность нагревания), но и химические изменения, связанные с действием атмосферной воды, насыщенности кислородом и углекислотой (процессы гидратации, окисления и растворения).

Химическое выветривание влияет также на изменение физического состояния минералов. Минералы дробятся до размеров частиц в 0,01-0,0001 мм, теряют кристаллическую форму и переходят в дисперсное или аморфное состояние.

При разрушении первичных минералов образуются вторичные минералы - относительно простые продукты выветривания. Среди них можно выделить такие группы: 1) гидраты окислов кремния, железа и алюминия и др., находящиеся в аморфном дисперсном состоянии (размеры частиц 0,1-0,01); 2) алюмо- и феррисиликаты с различным соотношением окислов кремнезема вторичных глинных минералов (типа каолинита) и биолитов (опал, халцедон); 3) подвижные углекислые, сернокислые, хлористые соли кальция, магния, натрия, которые образуют в почве значительные скопления в виде гипса (CaSO₄•2H₂O), кальцита (СаСО₃), натрита (Na₂CO₃ X Н₂О), сильвина (КС1) и др.

Почвенные соли отличаются разной степенью растворимости. Легкорастворимыми являются нитраты, хлориды, сульфаты калия, натрия и магния. Все эти соли за исключением нитратов вредны для растений. К среднерастворимым относятся сульфаты кальция, к труднорастворимым - карбонаты и фосфаты кальция. При взаимодействии указанных солей с водой образуется почвенный раствор, являющийся наиболее подвижной и активной частью почвы, так как вещества в нем находятся в молекулярном и коллоидальном состоянии.

Органическая часть почвы. Неотъемлемой частью почвы являются содержащиеся в ней органические соединения. Образование их связано с воздействием на почву растений и микроорганизмов. Роль растений сводится к синсезированию органических соединений и минеральных, которые используются ими для питания.

Органическая часть почвы представлена как азотосодержащими, так и безазотистыми органическими соединениями. Они накапливаются в почве при разложении растительных и животных остатков, а также в процессе жизнедеятельности самих организмов (например, жиры, углеводы, белки, аминокислоты, дубильные вещества, смолы и др.). Количество подобных соединений в почве достигает 15%.

Основную массу органических веществ почвы (85%), определяющую ее плодородие, составляют специфические органические соединения, называемые почвенным гумусом. Образование гумуса происходит под воздействием микроорганизмов. Роль микроорганизмов в почвообразовании очень велика. Делая такую оценку, следует исходить из того количества микроорганизмов, которые находятся в почве. Подсчитано, что в 1 г подзолистой почвы развивается до 0,6 млрд. бактерий, в черноземной почве 2,5 млрд. Вес живой массы бактерий на 1 га площади почвы составляет от 2 до 5 т.

В зависимости от воздушных условий почвенной среды микроорганизмы можно подразделить на две группы: 1) аэробы (грибы, актиномицеты, бактерии), жизнедеятельность которых проявляется при достаточном доступе кислорода; 2) анаэробы, развивающиеся при недостатке или полном отсутствии кислорода. Необходимый для дыхания кислород анаэробы получают от различных химических кислородных соединений. Анаэробные условия создаются в застойных водоемах, на болоте, в переувлажненной почве.

В аэробных и анаэробных условиях разложение органических остатков происходит по-разному. Так, в аэробных условиях этот процесс протекает быстро, до полной минерализации с образованием простых окислов (гидратов) и солей. При анаэробном процессе разложение растительной массы осуществляется медленно, с неполной минерализацией. Конечным продуктом этого процесса является образование закисных соединений, органических кислот и газов (метан, аммиак, сероводород, углекислый газ и др.).

Роль микроорганизмов сводится не только к разложению растительных остатков, но и к закреплению атмосферного азота. Бактерии, усваивающие азот (азотофиксаторы), превращают его в белки и способствуют закреплению в почве.

В почве одновременно с разложением органической массы происходит синтез высокомолекулярных перегнойных веществ при участии окислительных ферментов, которые выделяют микроорганизмы. Основу гумуса составляют перегнойные кислоты, образованные в результате аэробного или анаэробного разложения травянистых растений и древесных остатков. Содержание гумуса в почве зависит от накопления мертвого органического вещества. Наибольшее его количество образуется под лесом и луговой растительностью.

Наиболее важным химическим свойством почвы является ее поглотительная способность.

Поглотительная (обменная) способность почвы связана с образованием почвенных коллоидов. Под почвенными коллоидами понимают ту часть почвы, которая состоит из мельчайших частиц, с диаметром, измеряемым долями микрона (0,1-0,001 мк). Почвенные коллоиды образуются двумя путями: путем дробления горных пород при физическом выветривании и в процессе реакций при химическом выветривании. Для почвенных коллоидов характерно состояние золя и геля. Для почвообразования особенно важен процесс коагуляции золя, так как при этом прекращается движение почвенных частиц и происходит их закрепление в почве. Основной причиной, вызывающей коагуляцию почвенных коллоидов, является действие электролитов. Энергичными коагуляторами почвенных растворов являются катионы А1'''; Fe'»; Са»; Mg», которые особенно широко распространены в почве.

Почвенные коллоиды играют большую роль в развитии почвы, оказывают цементирующее воздействие, скрепляя песчаные, пылеватые и иловатые частицы. Поэтому чем богаче представлены в почве коллоиды, тем прочнее почвенные агрегаты и почва меньше распыляется при механической обработке.

Под обменной поглотительной способностью почвы понимают ее способность задерживать в своем составе минеральные и органические соединения, находящиеся в растворенном состоянии. Поглотительная способность почвы проявляется прежде всего по отношению к электролитам, находящимся в почвенном растворе. Ионы притягиваются к почвенным частицам под воздействием сил натяжения. Одновременно они вступают в обменные реакции с ионами, находящимися на поверхности почвенных коллоидальных частиц. В результате этих обменных реакций изменяется состав как почвенного раствора, так и самих почвенных частиц. Так в почве происходит избирательное накопление различных веществ.

Чтобы понять механизм поглотительной способности почвы, рассмотрим строение отдельной коллоидальной частицы почвы (мицеллы). В пределах мицеллы (рис. 51) выделяют: 1) ядро - агрегат молекул аморфного или кристаллического вещества; 2) внутренний слой потенциал определяющих ионов; 3) неподвижный слой компенсирующих ионов; 4) диффузный слой ионов, в который входят поглощаемые ионы из раствора и замещают ионы с противоположным зарядом.

Для примера рассмотрим поглощающий комплекс черноземной почвы. В коллоидальной части черноземов содержатся в большом количестве катионы Са» и Mg». При введении в эту почву раствора КС1 начинается замещение этих катионов по правилу эквивалентности. Таким образом ионы Са» и Mg» вытесняются из диффузного слоя и образуют растворимые соли (рис. 52).

Изучение поглотительной способности почв помогло объяснить многие ее особенности: плодородие, причины засоления и др., а также наметить пути улучшения почв, разработать систему удобрений.

В твердом виде вода практически не оказывает влияния на почвообразовательный процесс.

Парообразная влага накапливается в почве за счет испарения и ее движение зависит от упругости пара и теплового расширения почвенного воздуха, составной частью которого она является. В отличие от нее гигроскопическая влага накапливается в почве за счет сил молекулярного притяжения твердых почвенных частиц. Эти формы воды для растений не доступны.

Форма жидкой воды в почве различна. Пленочная вода окружает почвенные частицы и удерживается силами молекулярного притяжения. Это подвижная форма воды, но растениями она почти неусвояема (рис. 53). Наибольшее значение для развития почвообразовательных процессов и питания растений имеет гравитационная и капиллярная вода.

Гравитационная вода движется между структурными отдельностями сверху вниз под влиянием силы тяжести и во многом зависит от механического состава и структурности почвы. Капиллярная вода заполняет поры внутри структурных отдельностей и удерживается капиллярными силами. Она передвигается в почве во всех направлениях и относится к числу усвояемой растениями.

Названные виды почвенной воды определяют естественное увлажнение почвы. Влаге принадлежит важная роль в почвообразовании, так как она обусловливает движение растворенных минеральных веществ, развитие микробиологических процессов, выветривание минералов.

Коллоиды и сорбционная способность почв.

Химические и физико-химические свойства почв в значительной мере определяются агрегатным состоянием, химическим составом системы, размером твердых частичек почвы. При рассмотрении физико-химических свойств особое значение приобретают жидкая фаза (почвенный раствор) и продукты взаимодействия жидкой и твердой фаз почвы.

Растворы представляют собой однородные системы, состоящие из двух или нескольких компонентов и продуктов их взаимодействия, равномерно распределенных друг в друге. Система - тело или группа тел, изучаемых изолированно. Фаза - физически однородное тело или совокупность физически однородных (тождественных) тел. Системы могут быть гомогенными, состоящими из одной фазы, например, истинные растворы химических соединений (NаС1 в Н2О), и гетерогенными, состоящими из нескольких фаз, например, пересыщенный раствор поваренной соли, где истинным раствором являетcя NаС1 в воде, т.е. жидкая фаза, а избыток соли - твердая фаза.

Растворы могут быть жидкими, твердыми, газообразными. В почве наибольшее значение имеют жидкие растворы, поэтому более подробно остановимся на них. Растворы составляют дисперсные системы, т.е. такие системы, в которых компоненты равномерно распределены друг в друге.

В дисперсных системах выделяют дисперсную фазу - мелкораздробленное вещество - и дисперсную среду, представляющую собой, как правило, однородное вещество, в котором равномерно распределена дисперсная фаза. В растворах почвы дисперсная среда представлена, как правило, водой, а растворенные в ней вещества - дисперсной фазой. Так, в мутной воде, содержащей глинистые частички (ФГ<0,01 мм), дисперсной фазой являются твердые частички глины, а дисперсной средой - вода.

В зависимости от размера частиц дисперсной фазы выделяют истинные растворы, коллоидные системы, а также суспензии и эмульсии.

Истинные растворы - гомогенные системы с размером растворимых частиц менее 0,001 мкм (микрометр - миллионная часть метра). Они состоят из молекул и ионов растворимого вещества. Их можно рассматривать как однофазную гомогенную систему, например, растворы солей, кислот и щелочей (NаС1, Н2SО4, NаОН).

Коллоидные растворы - двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсионной фазы с размерами частиц в пределах от 0,01 до 0,2 мкм. Системы с размерами дисперсионной фазы более 0,2 мкм образуют грубодисперсные системы, такие, например, как суспензии и эмульсии.

Одно и то же вещество в зависимости от степени дисперсности может образовывать как грубодисперсные системы, так и коллоидный и истинный растворы.

Коллоидные растворы по химическому составу могут быть:

· Неорганические (минеральные), например, растворы кристаллических и аморфных минера-лов как первичных, так и вторичных.

· Органические - растворы гумусовых веществ (гуминовые кислоты и фульвокислоты).

· Органо-минеральные коллоиды представляют собой, например, растворы соединений гумусовых веществ с глинистыми и некоторыми другими вторичными минералами.

Образование коллоидных систем происходит по двум направлениям:

· Конденсационное - вследствие ассоциации молекул или ионов под действием физических и химических сил, например, из истинных растворов;

· Дисперсионное - за счет механического или химического (диссоциации, растворение) раздробления более крупных частиц или грубодисперсных систем.

Таким образом, коллоидные частички почвы могут быть разного размера, различного

По отношению к растворителям различают лиофильные и лиофобные коллоиды. По отношению к воде коллоиды делятся на гидрофильные, способные сильно гидратироваться, удерживать молекулы воды под влиянием своего заряда (кремниевая кислота, белки, ГК ФК) и гидрофобные, которые слабо гидратируются, обладают малой емкостью поглощения. В почве коллоиды могут находиться в виде коллоидного раствора, они носят название золя. В этом состоянии коллоиды активно взаимодействуют с окружающими их соединениями, могут участвовать в процессах миграции и перемещения по профилю почв. Наиболее агрессивная часть почвенных коллоидов активно вступает в процессы разнообразных взаимодействий физических, химических, физико-химических.

Коллоиды из раствора могут переходить в осадок, который носит название гель. Аккумуляция химических элементов в виде гелей активно происходит в результате проявления почвообразовательных процессов.

Процесс перехода золя в гель называется коагуляцией. При коагуляции происходит потеря устойчивости коллоидных частиц и их укрупнение, агрегация и выделение из раствора в осадок. Коагуляция может происходить под действием, например, дегидратации (потеря Н2О), высушивания или замерзания почв.

Изменение электрокинетического потенциала(заряда), например при увеличении концентрации электролитов в растворах, приводит к коагуляции. В результате притяжения разноименно заряженных частиц золь также переходит в гель. Коагуляция может быть обратимой и необратимой. Явление перехода геля в золь, т.е. растворение, называется пептизацией. Пептизация может происходить под действием гидратации или в результате изменения электрического потенциала. Некоторые коллоиды могут коагулировать и пептизироваться многократно и называются обратимыми коллоидами, например, кремнекислота, ГК, ФК, некоторые белки. Гидрофобные коллоиды, насыщенные двух- и трехвалентными катионами, не нейтрализуются (из геля не могут перейти в золь), например, Fе(ОН) 3.

Коагуляция и пептизация играют важную роль в почвенных процессах. Они определяют в значительной мере реакционную способность, перемещение по профилю почв веществ или отдельных химических элементов и в конечном счете приводят к дифференциации почвы на генетические горизонты. Пептизация и коагуляция определяют закрепление коллоидных частиц в почвенных горизонтах, а также многие физические, химические и физико-химические свойства, такие, как удельная поверхность, емкость поглощения, формирование почвенной структуры и многие другие.

Сорбционная (поглотительная) способность почв

В почве происходят разнообразные химические, физико-химические процессы, например, растворение, комплексообразование, осадкообразование и др. Значительное влияние на эти процессы оказывает поглотительная сорбционная способность почв.

Сорбция (поглощение) - перераспределение поглощаемого вещества между фазами системы (твердой, жидкой, газообразной и биофазой). Из общего понятия сорбции выделяют адсорбцию и абсорбцию.

Адсорбция - сорбционный процесс, при котором происходит изменение концентрации вещества на поверхности раздела фаз, например, жидкость - твердая часть почвы, газообразная часть - почвенный раствор и т.д. Абсорбция - сорбционный процесс, при котором происходит проникновение поглощаемого вещества внутрь сорбента. Сорбент - вещество, которое поглощает другое вещество. Сорбтив - вещество, поглощаемое другим веществом.

3. Основные геосферные функции почвы

геосферный химический почва природный

Почвенный покров образует одну из геофизических оболочек Земли - педосферу. Основные геосферные функции почвы как природного тела обусловлены положением почвы на стыке живой и неживой природы. И главная из них - обеспечение жизни на Земле. Именно в почве укореняются наземные растения, в ней обитают мелкие животные, огромная масса микроорганизмов. В результате почвообразования именно в почве концентрируются жизненно необходимые организмам вода и элементы минерального питания в доступных для них формах химических соединений. Таким образом, почва - условие существования жизни, но одновременно почва - следствие жизни на Земле.

Главная функция почвы - это обеспечение жизни на Земле. Это определяется тем, что именно в почве концентрируются необходимые организмам биогенные элементы в доступных им формах химических соединений. Кроме того, почва обладает способностью аккумулировать необходимый для жизнедеятельности продуцентов биогеоценозов запасы воды, также в доступной им форме, равномерно обеспечивая их водой в течение всего периода вегетации. Наконец, почва служит оптимальной средой для укоренения наземных растений, обитания многочисленных беспозвоночных и позвоночных животных, разнообразных микроорганизмов. Собственно эта функция и определяет понятие «плодородие почв».

Вторая функция почв заключается в регулировании всех потоков вещества в биосфере. Все биогеохимические циклы элементов, включая циклы таких важнейших биогенов, как углерод, азот, кислород, фосфор, а также циклы воды осуществляются именно через почвы при ее регулирующем участии в качестве аккумулятора биогенных элементов. Почва - это связующее звено и регулирующий механизм в системах биологической и геологической циркуляции элементов.

Третья функция почвы - регулирование состава атмосферы и гидросферы. Атмосферная функция почвы осуществляется вследствие ее высокой пористости (40-60%) и плотной заселенности организмами, благодаря чему идет постоянный газообмен между почвой и атмосферой. Почва постоянно поставляет в атмосферу различные газы, в том числе и «парниковые» - СО2, СН4, а также множество так называемых «микрогазов». Одновременно почва поглощает кислород из атмосферы. Таким образом, в системе «почва - атмосфера» именно почва является генератором одних газов и «стоком» для других.

В сухопутной ветви глобального круговорота воды почва избирательно отдает в поверхностный и подземный сток растворимые в воде химические вещества, определяя тем самым гидрохимическую обстановку в водах и прибрежной части океана.

Четвертой важнейшей функцией почвы является накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных горизонтах описанного выше специфического органического вещества - гумуса и связанной с ним химической энергии.

Пятая функция заключается в ее защитной роли по отношению к литосфере. Почва защищает литосферу от воздействия экзогенных факторов, регулируя процессы денудации суши.

Наконец, еще одна, шестая функция почвы - это генерирование и сохранение биологического разнообразия. Почва, являясь средой обитания для огромного числа организмов, ограничивает жизнедеятельность одних и стимулирует активность других. Чрезвычайно большое разнообразие почвенных свойств по кислотности, щелочности, засоленности или отсутствию солей; окислительная или восстановительная обстановка-все это создает огромные возможности жизнедеятельности различных организмов. По отношению к человеку почва имеет еще одну специфическую функцию, являясь главным средством сельскохозяйственного производства и местом поселения людей.

В категорию глобальных функций почв входят функции, реализуемые почвенным покровом в его взаимодействии с литосферой, гидросферой, атмосферой, биосферой в целом и этносферой.

Глобальные функции почв в биосфере базируются на следующих основополагающих ее качествах. Во-первых, почва служит средой обитания и физической опорой для огромного числа организмов; во-вторых, почва является необходимым, незаменимым звеном и регулятором биогеохимических циклов, практически круговороты всех биогенов осуществляются через почву.

Заключение

Учение об экологических и биосферных функциях почв и его дальнейшая разработка во многом определяет развитие биосферологии и теории взаимодействия общества и природы. Оно предполагает новые подходы в охране почв, как незаменимого компонента биосферы - прежде всего подготовку Красной Книги и Кадастра особо ценных почв.

Однако, задача охраны почв и сохранение почвенного разнообразия на практике реализуется пока неудовлетворительно, что во многом связано, с продолжающим доминировать узко утилитарным отношением к почвенным ресурсам. Поэтому крайне актуально возрождение бережного отношения к почве и воспитание чувства земли, в чем неоценимую помощь может оказать экологическая этика.

Список использованных источников

1. Никитин Е.Д. Роль почв в жизни природы. М., 1982.

2. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Сабодина Е.П. и др. Сохранение биосферы и почв и духовно экологические проблемы цивилизации // Охрана почв Калмыкии и прилегающих территорий. Элиста, 2001.

3. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв) / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. - М.: НАука, 1990.

4. Химия окружающей среды. Курс лекций. Электронный образовательный ресурс / Липунов И.Н. Екатеринбург: «Баско». 2008. 449 МБ.

Размещено на Allbest.ru